(57)【要約】【課題】フォトニック結晶を有し、簡単な構成であって、温度補償がなされた光学素子を提供する。【解決手段】基板１と、基板１上に設置された、少なくとも基板表面１１の法線方向に屈折率周期性を有するフォトニック結晶４とを備え、フォトニック結晶４中では、基板表面１１と平行な方向に電磁波５を伝播する光学素子において、基板１の線膨張係数が、１００×１０-7／Ｋ以上、１４０×１０-7／Ｋ以下の範囲である。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、前記基板上に設置された、少なくとも前記基板表面の法線方向に屈折率周期性を有するフォトニック結晶とを備え、前記フォトニック結晶中では、前記基板表面と平行な方向に電磁波を伝播する光学素子において、
前記基板の線膨張係数が、１００×１０-7／Ｋ以上、１４０×１０-7／Ｋ以下の範囲であることを特徴とする光学素子。
【請求項２】
前記フォトニック結晶は、２種類以上の物質が前記基板表面の法線方向に積層されることで形成された、１次元フォトニック結晶である請求項１に記載の光学素子。
【請求項３】
前記電磁波が入射する面である入射面は、前記フォトニック結晶に形成された前記フォトニック結晶の周期構造が露出し、前記基板表面とは平行ではない面である請求項２に記載の光学素子。
【請求項４】
前記電磁波が出射する面である出射面は、前記基板表面と平行であり、前記基板に形成された面または前記フォトニック結晶に形成された面である請求項３に記載の光学素子。
【請求項５】
前記電磁波が出射する出射面は、前記基板表面と平行でなく、前記基板に形成された面である請求項３に記載の光学素子。
【請求項６】
前記入射面から入射された電磁波が、波長ごとに異なる出射角度で前記出射面から出射される請求項４または請求項５に記載の光学素子。
【請求項７】
前記フォトニック結晶は電磁波を伝播する導波路であり、
前記導波路の入射面および出射面は、前記フォトニック結晶に形成された前記フォトニック結晶の周期構造が露出し、前記基板表面とは平行ではない面のいずれかである請求項２に記載の光学素子。
【請求項８】
前記フォトニック結晶は、Ｔａ2Ｏ5、ＳｉＯ2、ＴｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、ＺｒＯ2、Ｓｉ、ＺｎＳ、ＨｆＯ、Ｇｅ、Ｎｄ2Ｏ6およびＣｅＯ2のうち少なくともいずれか一つを含んでいる請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の光学素子。
【請求項９】
前記フォトニック結晶は、Ｔａ2Ｏ5とＳｉＯ2とが周期的に積層されている請求項２ないし請求項７のいずれかに記載の光学素子。
【請求項１０】
前記基板の材質が、ガラスもしくは結晶化ガラスである請求項１ないし請求項９のいずれかに記載の光学素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信システム、光計測機器等に用いられるフォトニック結晶を用いた光学素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、インターネットの普及により光ファイバ通信システムの大容量化、高速化が強く求められており、その手段として波長分割多重（ＷＤＭ：Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）通信の開発が急速に進められている。ＷＤＭ通信では、わずかな波長差の信号を用いて個別の情報を伝達することから、波長選択性のよい波長合分波器、アイソレータ、フィルターなどといった光学素子が必要とされている。これらの光学素子には、量産性、小型化、集積化、安定性などが強く求められている。特に、最近はフォトニック結晶を光学素子に用いることが試みられている。
【０００３】
フォトニック結晶とは、屈折率の異なる２種類以上の物質を光の波長程度の周期で、周期的に配列したものである。フォトニック結晶には、「フォトニックバンドギャップによる光の閉じ込め」、「特異なバンド構造による非常に大きな波長分散」および「伝播光の群速度異常」といった特徴的な性質がある。また、フォトニック結晶は、屈折率の周期性を有する方向の数によって１次元、２次元および３次元フォトニック結晶に分類される。
【０００４】
１次元フォトニック結晶は、例えば、平行平面基板に２種類の誘電体薄膜を交互に積層することで形成される。１次元フォトニック結晶を用いた光学素子としては、例えば、多層膜光学フィルターがある。これは、ＷＤＭ光通信システムに用いられるバンドパスフィルターとして用いられていて、特定の波長域の光のみを選択的に透過または反射することができる。
【０００５】
また、２次元フォトニック結晶は、例えばフォトリソグラフィー技術を応用して、基板上の薄膜に空気孔を並べることで構成される。空気孔の配列に線状欠陥をつくることで、所望の光路を有する導波路として使用することができる。
【０００６】
また、３次元フォトニック結晶は、例えば全方向にわたるフォトニックバンドギャップを実現することができる立体的な導波路として使用することができる。それにより、３次元フォトニック結晶を用いて、１ｍｍ角程度の大きさで、多くの光学素子が組み込まれた素子を作製できる。
【０００７】
これらの中でも、１次元フォトニック結晶は製作しやすいという大きな長所があるが、上記の多層膜光学フィルター以外にフォトニック結晶としての特性を生かす方法が少ないことから、２次元または３次元フォトニック結晶ほどには研究されてこなかった。
【０００８】
しかし、１次元フォトニック結晶においても、特異なバンド構造に由来するフォトニック結晶としての特性を生かすことは十分に可能であり、本発明者らは、１次元フォトニック結晶を利用した分光素子（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４、特許文献５、特許文献６および特許文献７参照）や、導波路型の１次元フォトニック結晶を提案している（例えば、特許文献８参照）。
【０００９】
ところで、近年におけるＷＤＭ通信システムの高密度化に伴い、用いられる光学素子は、温度変動に対して安定した特性を有することが求められている。例えば、ＷＤＭ通信で用いられる光合分波器に用いられるフォトニック結晶を用いた多層膜光学フィルターにおいては、用いられる光の透過波長域の中心波長が温度変化に対して常に一定に近い状態であることが求められている。例えば、波長１５５０ｎｍ近傍の帯域における光を合分波する場合には、光の波長成分の間隔が１００ＧＨｚ（波長間隔０．８ｎｍ）とすると、中心波長の変動が２．５ｐｍ／Ｋ以下の温度安定性が必要とされている。
【００１０】
この多層膜光学フィルターは、積層構造である１次元のフォトニック結晶が基板上に形成された構成である。なお、積層方向（屈折率周期方向）は、基板の表面に対して平行であり、電磁波を積層面に対して垂直な方向に伝播させて使用する。また、多層膜光学フィルターにおける電磁波の伝播距離は多層膜の厚さであり、最大１００μｍ程度である。
【００１１】
この多層膜光学フィルターにおいて、多層膜を構成する各積層膜の屈折率は、温度により変化する。さらに、基板の線膨張係数と各積層膜の平均的線膨張係数とに差がある場合にはさらに積層膜の「圧縮」もしくは「引っ張り」の影響も加わってくる。したがって、温度変動に対して伝播特性が不安定である。しかし、近年の研究では、多層膜を構成する材料の種類にかかわらず、基板材質に線膨張係数が１００×１０-7／Ｋ〜１３０×１０-7／Ｋ程度のガラス材料を使用することで温度特性が補償されることがわかっている（例えば、非特許文献１、非特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００２−２３６２０６号公報
【特許文献２】特開２００２−１６９０２２号公報
【特許文献３】特開２００２−１８２０２６号公報
【特許文献４】特開２００２−２６７８４５号公報
【特許文献５】特開２００３−２４０９３４号公報
【特許文献６】特開２００３−２８７６３３号公報
【特許文献７】特開２００３−３２９８２３号公報
【特許文献８】特開２００３−２１５３６２号公報
【非特許文献１】高橋晴夫，光学薄膜の熱挙動，「ＯＰＴＲＯＮＩＣＳ  １９９８年  Ｎｏ．７」，オプトロニクス社，１９９８年７月１０日，ｐ．１５０−１５４
【非特許文献２】笠原一郎，光通信用フィルタ，「ＯＰＴＲＯＮＩＣＳ  １９９８年  Ｎｏ．７」，オプトロニクス社，１９９８年７月１０日，ｐ．１７２−１７７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかし、２次元、３次元フォトニック結晶を用いた光学素子については、温度補償に関する研究や提案はなされていない。また、１次元フォトニック結晶を用いた光学素子であっても、その屈折率周期を有さない方向に電磁波が伝播する構造の光学素子については、いままで、研究や提案はなされていない。そのため、温度変動によって、光学素子の伝播特性が変化し、所望の電磁波の伝播が得られないことがあった。
【００１３】
このような、温度変動による光学素子の誤動作を防ぐためには、例えば光学素子全体の温度をコントロールすることによって、温度補償を行う方法がある。つまり、放熱装置等を光学素子と併設することで、光学素子自体の温度変動をなくす方法である。しかし、この方法を用いると、光学素子の量産化、小型化および集積化が困難であるという問題があった。また、さらには光学素子の長期信頼性確保においても問題がある。
【００１４】
本発明は、上記問題点に鑑みなされたもので、フォトニック結晶を有し、簡単な構成であって、温度補償がなされた光学素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の光学素子は、基板と、前記基板上に設置された、少なくとも前記基板表面の法線方向に屈折率周期性を有するフォトニック結晶とを備え、前記フォトニック結晶中では、前記基板表面と平行な方向に電磁波を伝播する光学素子において、前記基板の線膨張係数が、１００×１０-7／Ｋ以上、１４０×１０-7／Ｋ以下の範囲であることを特徴とする。
【００１６】
なお、線膨張係数は、本発明の光学素子の使用温度範囲における値である。例えば、一般的な使用温度範囲である、−３０℃以上８０℃以下の温度範囲における平均線膨張係数としてもよい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明は、フォトニック結晶を有し、簡単な構成であって、温度補償がなされた光学素子を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明の光学素子は、少なくとも基板表面の法線方向に屈折率周期性を有するフォトニック結晶を備え、基板の線膨張係数が、１００×１０-7／Ｋ以上、１４０×１０-7／Ｋ以下の範囲とした。そのため、温度により特性が低下することがなく、温度安定性が高い光学素子を実現できる。また、基板の線膨張係数を規定するだけでよいので、簡単に作製することができる。
【００１９】
また、好ましくは、前記フォトニック結晶は、２種類以上の物質が前記基板表面の法線方向に積層されることで形成された、１次元フォトニック結晶である。それにより、簡単な構成であって、温度補償がなされた光学素子を提供することができる。
【００２０】
また、好ましくは、前記電磁波が入射する面である入射面は、前記フォトニック結晶に形成された前記フォトニック結晶の周期構造が露出し、前記基板表面とは平行ではない面である。それにより、フォトニック結晶中において、電磁波を所望の伝播とすることができる。例えば、ブリルアンゾーン境界線上のバンドに結合する光を伝播させることができる。
【００２１】
また、好ましくは、前記電磁波が出射する面である出射面は、前記基板表面と平行であり、前記基板に形成された面または前記フォトニック結晶に形成された面である。それにより、出射光のフレネル反射を減らすことができる。
【００２２】
また、好ましくは、前記電磁波が出射する出射面は、前記基板表面と平行でなく、前記基板に形成された面である。それにより、出射面における全反射、あるいは出射光のフレネル反射を減らすことができる。そのため、損失を低減することができる。
【００２３】
また、好ましくは、前記入射面から入射された電磁波が、波長ごとに異なる出射角度で前記出射面から出射される。それにより、簡単な構成で、温度補償がなされた分光素子を提供することができる。
【００２４】
また、好ましくは、前記フォトニック結晶は電磁波を伝播する導波路であり、前記導波路の入射面および出射面は、前記フォトニック結晶に形成された前記フォトニック結晶の周期構造が露出し、前記基板表面とは平行ではない面のいずれかである。それにより、例えば、方向性結合器等の光学素子を提供することができる。
【００２５】
また、前記フォトニック結晶は、Ｔａ2Ｏ5、ＳｉＯ2、ＴｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、ＺｒＯ2、Ｓｉ、ＺｎＳ、ＨｆＯ、Ｇｅ、Ｎｄ2Ｏ6およびＣｅＯ2のうち少なくともいずれか一つを含んでいればよい。
【００２６】
また、好ましくは、前記フォトニック結晶は、Ｔａ2Ｏ5とＳｉＯ2とが周期的に積層されている。それにより、構成が簡単で、容易に作製できる光学素子を提供することができる。
【００２７】
また、好ましくは、前記基板の材質が、ガラスもしくは結晶化ガラスである。それにより、構成が簡単で、容易に作製できる光学素子を提供することができる。
【００２８】
以下、本発明の実施形態のさらに具体的な例について図を用いて説明する。
【００２９】
本発明の実施の形態に係る光学素子について説明する。図１は、本実施の形態に係る光学素子の構成を示す断面図である。図１に示すように、本実施の形態の光学素子１０は、基板１上に第１物質２および第２物質３が、交互に周期的に積層された構成を有している。つまり、第１物質２および第２物質３の屈折率周期は基板表面１１の法線方向であり、１次元のフォトニック結晶４を形成している。フォトニック結晶４は、第１物質２および第２物質３が、交互に周期的に積層された構成である。第１物質２の厚さt1および第２物質３の厚さt2は、それぞれ光の波長程度の大きさである。このフォトニック結晶４の周期は（ｔ1＋ｔ2）となる。
【００３０】
基板１は、線膨張係数が、１００×１０-7／Ｋ以上、１４０×１０-7／Ｋ以下の範囲である材料とする。なお、本実施形態では、線膨張係数は、下限温度を−３０℃とし、上限温度を＋８０℃とした範囲における平均線膨張係数とした。基板１としては、例えば、ガラスや結晶性ガラスを用いればよい。この光学素子１０において、フォトニック結晶４中を伝播する光５は、屈折率周期のない方向、すなわち基板表面１１に対して平行な方向に伝播する。なお、フォトニック結晶４には光５が伝播するとしたが、伝播するのは光に限定されるわけではなく、他の電磁波を伝播させて利用してもよい。
【００３１】
フォトニック結晶４の構成は特に限定されるわけではない。例えば、従来から用いられている所望の機能を有するフォトニック結晶４を構成すればよい。また、フォトニック結晶４を、さらに多く（２種類以上）の種類の物質により形成してもよい。また、フォトニック結晶４は、複数の異なる周期を有する構造としてもよい。例えば、第１物質２および第２物質３が交互に積層されていて、積層方向のある領域は長い周期で積層され、他の領域は短い周期で積層されている構成としてもよい。長い周期で積層された個所（クラッド）同士の間に短い周期で積層された個所（コア）が挟まれているような構成としてもよい。
【００３２】
このような構成の本実施の形態に係る光学素子１０は、温度補償がなされている。すなわち、温度変化によって生じるフォトニック結晶４を形成している積層膜、すなわち第１物質２および第２物質３の平均の屈折率変化および平均の光学的膜厚変化が、基板１の体積の温度変化により生じるフォトニック結晶４の変形により相殺されている。そのため、フォトニック結晶４の光学特性が温度により変化することがない。
【００３３】
また、基板１として、線膨張係数が、１００×１０-7／Ｋ以上、１４０×１０-7／Ｋ以下の範囲である材料を用いればよいだけなので、本実施の形態に係る光学素子１０は容易に製造することができるという効果も奏する。フォトニック結晶４は、例えば従来のものを用いればよく、構成が複雑になることがない。また、フォトニック結晶４は、Ｔａ2Ｏ5、ＳｉＯ2、ＴｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、ＺｒＯ2、Ｓｉ、ＺｎＳ、ＨｆＯ、Ｇｅ、Ｎｄ2Ｏ6およびＣｅＯ2の内少なくとも１つを含んだ構成とすることが好ましい。
【００３４】
次に、本実施の形態の光学素子１０を実際に製造し、温度特性を測定した結果を示す。測定に用いた光学素子は、１次元フォトニック結晶を備え、フォトニック結晶内における伝播光が、ブリルアンゾーン境界線上のバンドに結合している分光素子とした。
【００３５】
図２は、測定に用いる第１の光学素子の構成を示す図である。図２（ａ）は、第１の光学素子の構成を示す斜視図であり、図２（ｂ）は、第１の光学素子の構成を示す側面図である。フォトニック結晶４ａは、空気側クラッド４１ａ、コア４２ａおよび基板側クラッド４３ａから構成されている。空気側クラッド４１ａ、コア４２ａおよび基板側クラッド４３ａは、それぞれ、Ｔａ2Ｏ5とＳｉＯ2とが、基板表面１１ａに対して垂直方向に交互に積層された構造である。なお、Ｔａ2Ｏ5およびＳｉＯ2の各層は、見易さを考慮して図示していない。
【００３６】
基板側クラッド４３ａは、基板１ａ上に設置され、基板１ａと接する層はＴａ2Ｏ5であり、その上に、ＳｉＯ2が積層され、同様に、これらの層が交互に周期的に積層されている。Ｔａ2Ｏ5の層の厚さは１９５ｎｍであり、ＳｉＯ2の層の厚さは４５５ｎｍであり、全部で１０層積層される。Ｔａ2Ｏ5とＳｉＯ2とが一層ずつ積層された厚さを周期という。したがって、基板側クラッド４３ａの周期は６５０ｎｍであり、５周期である。Ｔａ2Ｏ5とＳｉＯ2との膜厚の比は、３：７である。
【００３７】
また、コア４２ａは、基板側クラッド４３ａ上に設置されている。基板側クラッド４３ａの最上層であるＳｉＯ2の層には、コア４２ａの最下層となるＴａ2Ｏ5の層が接している。そのＴａ2Ｏ5上にはＳｉＯ2が積層され、同様に、これらの層が交互に周期的に積層されている。Ｔａ2Ｏ5の層の厚さは１５３ｎｍであり、ＳｉＯ2の層の厚さは３５７ｎｍであり、全部で４０層積層される。したがって、コア４２ａの周期は５１０ｎｍであり、２０周期である。Ｔａ2Ｏ5とＳｉＯ2との膜厚の比は、３：７である。
【００３８】
また、空気側クラッド４１ａは、コア４２ａ上に設置されている。コア４２ａの最上層であるＳｉＯ2の層には、空気側クラッド４１ａの最下層となるＴａ2Ｏ5の層が接している。そのＴａ2Ｏ5上にはＳｉＯ2が積層され、同様に、これらの層が交互に周期的に積層されている。Ｔａ2Ｏ5の層の厚さは１９５ｎｍであり、ＳｉＯ2の層の厚さは４５５ｎｍであり、全部で２０層積層される。したがって、空気側クラッド４１ａの周期は６５０ｎｍであり、１０周期である。Ｔａ2Ｏ5とＳｉＯ2との膜厚の比は、３：７である。空気側クラッド４１ａの最上層は露呈していて、空気と接している。
【００３９】
また、基板１ａは、石英ガラスを用いている。石英ガラスの線膨張係数は、５×１０-7／Ｋである。
【００４０】
第１の光学素子１０ａは、側面が平行四辺形形状である。図２（ａ）に示すように、その平行四辺形の高さは３ｍｍで、底辺の長さは１０ｍｍである。また、第１の光学素子１０ａの奥行きは５ｍｍである。また、入射面４４ａは、基板表面１１ａに対して平行ではなく、周期構造が露出している面である。入射面４４ａと基板１ａの底面とのなす角度が４５°であり、入射面４４ａと基板表面１１ａとのなす角度も４５°である。
【００４１】
図２（ｂ）に示すように、第１の光学素子１０ａにおいて、入射光５１ａが入射面４４ａに対して、入射角φaで入射し、光がフォトニック結晶４ａのコア４２ａ中を、基板表面１ａに平行な方向に伝播する。なお、入射角φaは、図２（ｂ）に示すように、入射面４４ａの法線と入射光５１ａとがなす角度である。第１の光学素子１０ａは分光素子であり、入射した光は、その波長により特定の角度でフォトニック結晶４ａから基板１ａへと漏れていく。基板１ａに漏れでた光は、基板１ａ中を伝播して、基板１ａに含まれる出射面１２ａから出射角θaで出射される。なお、出射角θaは、入射光５１ａの進行方向と出射光５２ａとのなす角度である。第１の光学素子１０ａにおいて、出射面１２ａは基板表面１１ａと平行ではない。そのため、出射光５２ａが出射面１２ａに対して垂直に近くなり、フレネル反射を減らすことができる。
【００４２】
第１の光学素子１０ａにおいて、入射角φaを１５°として、入射光５１ａの波長を変化させて出射角θaを測定する。図３は、その結果をまとめたもので、第１の光学素子１０ａにおける、入射光５１ａの波長と出射角θaとの関係図である。図３からわかるように、入射光５１ａの波長が変化することで出射角θaが変化している。波長の異なる複数の光を第１の光学素子１０ａに入射させることで、それぞれ、異なる出射角θaで出射されているので、波長ごとに光を分光することができる。入射光５１ａの波長が１ｎｍ変化することで、出射角θaは０.１５〜０.３０°変化していることから、通常の回折格子を用いた分光素子に比べて、数倍の角度分散を有していることがわかる。
【００４３】
次に、本実施の形態に係る光学素子の温度特性を測定するために用いた、他の光学素子である第２の光学素子１０ｂの構成について説明する。図４は、測定に用いた第２の光学素子の構成を示す図である。図４（ａ）は、第２の光学素子の構成を示す斜視図であり、図４（ｂ）は、第２の光学素子の構成を示す側面図である。フォトニック結晶４ｂは、空気側クラッド４１ｂ、コア４２ｂおよび基板側クラッド４３ｂから構成されている。空気側クラッド４１ｂ、コア４２ｂおよび基板側クラッド４３ｂは、それぞれ、Ｔａ2Ｏ5とＳｉＯ2とが、基板表面１１ｂに対して垂直方向に交互に積層された構造である。なお、Ｔａ2Ｏ5およびＳｉＯ2の各層は、見易さを考慮して図示していない。
【００４４】
基板側クラッド４３ｂは、基板１ｂ上に設置され、基板１ｂと接する層はＴａ2Ｏ5であり、その上に、ＳｉＯ2が積層され、同様に、これらの層が交互に周期的に積層されている。Ｔａ2Ｏ5の層の厚さは１７２ｎｍであり、ＳｉＯ2の層の厚さは２６８ｎｍであり、全部で２０層積層される。したがって、基板側クラッド４３ｂの周期は４４０ｎｍであり、１０周期である。Ｔａ2Ｏ5とＳｉＯ2との膜厚の比は、３．９：６．１である。
【００４５】
また、コア４２ｂは、基板側クラッド４３ｂ上に設置されている。基板側クラッド４３ｂの最上層であるＳｉＯ2の層には、コア４２ｂの最下層となるＴａ2Ｏ5の層が接している。そのＴａ2Ｏ5上にはＳｉＯ2が積層され、同様に、これらの層が交互に周期的に積層されている。Ｔａ2Ｏ5の層の厚さは１３２ｎｍであり、ＳｉＯ2の層の厚さは３０８ｎｍであり、全部で４０層積層される。したがって、コア４２ｂの周期は４４０ｎｍであり、２０周期である。Ｔａ2Ｏ5とＳｉＯ2との膜厚の比は、３：７である。
【００４６】
また、空気側クラッド４１ｂは、コア４２ｂ上に設置されている。コア４２ｂの最上層であるＳｉＯ2の層には、空気側クラッド４１ｂの最下層となるＴａ2Ｏ5の層が接している。そのＴａ2Ｏ5上にはＳｉＯ2が積層され、同様に、これらの層が交互に周期的に積層されている。Ｔａ2Ｏ5の層の厚さは１７２ｎｍであり、ＳｉＯ2の層の厚さは２６８ｎｍであり、全部で２０層積層される。したがって、空気側クラッド４１ｂの周期は４４０ｎｍであり、１０周期である。Ｔａ2Ｏ5とＳｉＯ2との膜厚の比は、３：７である。空気側クラッド４１ｂの最上層は露呈していて、空気と接している。
【００４７】
また、基板１ｂは、硼珪酸ガラスであるＢＫ７を用いている。このＢＫ７の線膨張係数は、８０×１０-7／Ｋである。
【００４８】
第２の光学素子１０ｂは、側面が台形形状である。図４（ａ）に示すように、その台形の上底は１０ｍｍで、高さは３ｍｍである。また、第２の光学素子１０ｂの奥行きは５ｍｍである。また、入射面４４ｂは、基板表面１ｂに対して平行ではなく、周期構造が露出している面である。入射面４４ｂと基板１ｂの底面とのなす角度が５０°であり、入射面４４ｂと基板表面１１ｂとのなす角度も５０°である。
【００４９】
図４（ｂ）に示すように、第２の光学素子１０ｂにおいて、入射光５１ｂが入射面４４ｂに対して、入射角φbで入射し、光がフォトニック結晶４ｂのコア４２ｂ中を、基板表面１１ｂに平行な方向に伝播する。なお、入射角φbは、図４（ｂ）に示すように、入射面４４ｂの法線と入射光５１ｂとがなす角度である。第２の光学素子１０ｂは分光素子であり、入射した光は、その波長により特定の角度でフォトニック結晶４ｂから基板１ｂへと漏れていく。基板１ｂに漏れでた光は、基板１ｂ中を伝播して、基板１ｂに含まれる、基板表面１１ｂと平行である出射面１２ｂから出射角θbで出射される。なお、出射角θbは、基板表面１１ｂと平行である出射面１２ｂと出射光５２ｂとのなす角度である。なお、図４に示した第２の光学素子１０ｂにおいて、各部材の寸法を所定の値とすることで、基板表面１１ｂと平行である、フォトニック結晶４ｂに形成された面から出射光を出射させることもできる。
【００５０】
第２の光学素子１０ｂにおいて、入射角φbを５０°として、入射光５１ｂの波長を変化させて出射角θbを測定する。図５は、その結果をまとめたもので、第２の光学素子１０ｂにおける、入射光５１ｂの波長と出射角θbとの関係図である。図５からわかるように、入射光５１ｂの波長が変化することで出射角θbが変化している。波長の異なる複数の光を第２の光学素子１０ｂに入射させることで、それぞれ、異なる出射角θbで出射されているので、波長ごとに光を分光することができる。入射光５１ｂの波長が１ｎｍ変化することで、出射角θbは約０.２５°変化していることから、通常の回折格子を用いた分光素子に比べて、数倍の角度分散を有していることがわかる。
【００５１】
また、図４（ａ）および図４（ｂ）に示した第２の光学素子１０ｂと同様で、側面が台形形状であり、その層数（周期）または基板１ｂの材質が異なる、第３および第４の光学素子も、本実施の形態に係る光学素子の温度特性を測定するために用意した。
【００５２】
具体的には、第３の光学素子の構成は、図４（ａ）および図４（ｂ）に示す第２の光学素子１０ｂと同一の構成であり、基板１ｂには、Ｋ−ＣＤ４５（株式会社住田光学ガラス製）を用いている点が異なる。なお、Ｋ−ＣＤ４５の線膨張係数は、１２１×１０-7／Ｋである。
【００５３】
また、第４の光学素子は、図４（ａ）および図４（ｂ）に示す、第２の光学素子１０ｂと同一の構成であり、基板１ｂには、本測定のために作製したガラスを用いている。なお、このガラスの線膨張係数は、１３６×１０-7／Ｋであり、その調合組成を以下に示す。このガラスの調合組成をモル％で示すと、ＳｉＯ2が７０％、Ａｌ2Ｏ3が１％、ＣａＯが２％、ＺｎＯが１．５％、Ｎａ2Ｏが１０％、Ｋ2Ｏが１５％、ＺｒＯ2が０．５％である。また、第４の光学素子は、基板側クラッドの層数が第２の光学素子１０ｂとは異なり、１０層（５周期）である。それ以外は、第２の光学素子１０ｂと同様の構成である。
【００５４】
以上の第１〜第４の光学素子の温度特性を測定する。図６は、温度特性の測定方法について説明した模式図である。図６（ａ）は、温度特性の測定方法を示す斜視図である。図６（ｂ）は、温度特性の測定方法における光の進路を示している光学素子の平面図である。図６（ａ）に示すように、石英棒８の上に取り付けられた熱膨張の小さなインバー合金からなる測定台１６の上に、測定する光学素子を配置する。図６（ａ）においては、第２の光学素子１０ｂを配置している。第２の光学素子１０ｂの入射面４４ｂに入射光５１ｂ（ＴＥ偏光）を特定の入射角で入射させ、出射面１２ｂから出射された出射光５２ｂをロッドレンズ等の対物レンズ１５によりＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｕｐｌｅ  Ｄｅｖｉｃｅ）９に結像させる。ＣＣＤ９における出射光５２ｂの結像位置の変動が、出射光５２ｂの出射角θbの変動に対応する（図４（ｂ）参照）。
【００５５】
測定台１６には、ペルチェ素子６が取り付けられている。ペルチェ素子６に接続された電線７を介してペルチェ素子６に電流を供給することでペルチェ素子６が加熱され、測定台１６を介して第２の光学素子１０ｂが加熱される。測定台１６の側面には、熱電対１３が設置されていて、熱電対１３に接続された電線１４を用いて検知される熱電対１３の起電力を用いて、測定台１６の温度を測定することができる。つまり、第２の光学素子１０ｂの温度は、測定台１６の温度と略同一であるため、熱電対１３により第２の光学素子１０ｂの温度を測定できる。
【００５６】
石英棒８およびインバー合金よりなる測定台１６は、熱膨張が小さいため、それらの温度が変化した場合でも、第２の光学素子１０ｂの位置ズレが生じにくい。ペルチェ素子６により、第２の光学素子１０ｂを昇降温させるには、ペルチェ素子６を通電または非通電とする。なお、ペルチェ素子６を通電または非通電のそれぞれの状態にしてから十分に時間を置いて、第２の光学素子１０ｂの温度が安定した状態で測定を行う。
【００５７】
上述の測定では、第２の光学素子１０ｂの出射面１２ｂの向きが、温度変化により変動する。すなわち、入射光５１ｂに対する出射面１２ｂの角度が変化する。これを補償するために、参照光としてヘリウムネオンレーザー光１７を第２の光学素子１０ｂの基板裏面である出射面１２ｂに照射して反射させ、その反射光をＣＣＤ９に結像させておく。ヘリウムネオンレーザー光１７のＣＣＤ９における結像位置の変動を考慮して、出射光５２ｂのＣＣＤ９における結像位置の変動を、第２の光学素子１０ｂの温度ごとに測定することにより、第２の光学素子１０ｂの温度特性を求めた。
【００５８】
第２の光学素子１０と同様に、第１、第３および第４の光学素子についても、同様の測定方法で温度特性を測定した。図７は、各光学素子における熱電対（Ｋカップル）起電力とＣＣＤ９における出射光５２ｂの結像位置（図７においては、ＣＣＤ位置と記載する）との関係図である。つまり、熱電対起電力に対する、出射光５２ｂのＣＣＤ９上での変動量を示したものである。図７（ａ）は第１の光学素子における熱電対起電力とＣＣＤ９における出射光５２ｂの結像位置（ＣＣＤ位置）との関係図であり、図７（ｂ）は第２の光学素子における熱電対起電力とＣＣＤ９における出射光５２ｂの結像位置（ＣＣＤ位置）との関係図であり、図７（ｃ）は第３の光学素子における熱電対起電力とＣＣＤ９における出射光５２ｂの結像位置（ＣＣＤ位置）との関係図であり、図７（ｄ）は第４の光学素子における熱電対起電力とＣＣＤ９における出射光５２ｂの結像位置（ＣＣＤ位置）との関係図である。なお、図７（ａ）〜図７（ｄ）中、ＣＣＤ９における出射光５２ｂの結像位置（ＣＣＤ位置）は、ＣＣＤ９におけるヘリウムネオンレーザー光１７の結像位置の変動を考慮することで、温度変化による出射面１２ｂの変動を補償して求めた値である。なお、熱電対起電力の１ｍＶの増加は２６℃の温度上昇に相当する。
【００５９】
図７（ａ）〜図７（ｄ）において、各グラフの直線の傾きが大きなものほど温度による出射光５２ｂの変動量が大きいことを示している。図７（ａ）〜図７（ｄ）より、基板の熱膨張係数が大きい光学素子ほど出射光５２ｂの結像位置の変動量が小さくなり、さらに基板の熱膨張係数を大きくすると、図７（ｄ）に示されているように、シフト方向が反転する。温度変化による出射光５２ｂのＣＣＤ９上における位置の変動は、同じ温度における入射光５１ｂの波長変化に対応しているので、両者の比例定数は、入射光５１ｂの波長を変化させて、ＣＣＤ９に結像する出射光５２ｂの位置を測定することにより簡単に求めることができる。
【００６０】
ＣＣＤ９における変動量から算出した、１℃の温度変化に対応する波長差に換算した変動量(Δλ／ΔＴ)は、第１の光学素子は１０．４ｐｍ／Ｋであり、第２の光学素子は１．８ｐｍ／Ｋであり、第３の光学素子は１．０ｐｍ／Ｋであり、第４の光学素子は−１．９ｐｍ／Ｋであった。
【００６１】
図８は図７の結果を元に求めた、本実施の形態に係る光学素子の基板の熱膨張係数に対する出射角の変動量の関係を示す図である。図８より、基板の線膨張係数を１００×１０-7／Ｋ以上、１４０×１０-7／Ｋ以下の範囲とすることで、温度による屈折光の変動量がほぼ０となり、温度特性が補償されていることがわかる。
【００６２】
以上のように、本実施の形態の光学素子は、温度変化による特性の変化が小さい。したがって、例えば高温になる個所、低温になる個所または温度変化の著しい個所に設置することが可能な光学素子を実現できる。
【００６３】
また、温度を一定値に保つための構造や装置が不要であることから、本実施の形態の光学素子およびそれを用いて作製する回路を小型化することができる。したがって、低コストで、エネルギー消費の少ない光学素子を実現できる。
【００６４】
なお、実施の形態では、分光素子を用いて説明したが、本発明に係る光学素子は、その他の機能を有する光学素子として用いることができる。例えば、方向性結合器として用いてもよい。図９は、方向性結合器の構成を示す斜視図である。図９に示すように、方向性結合器１０ｃは、基板１ｃ上にフォトニック結晶で構成された２つの導波路４ｃおよび４ｄが設置された構成である。なお、導波路４ｃおよび４ｄは、少なくとも基板表面１１ｃの法線方向に屈折率周期性を有するフォトニック結晶導波路であり、電磁波の伝播方向は基板表面１１ｃと平行な方向である。導波路４ｃの端面１８ｃおよび１９ｃは、それぞれ導波路４ｄの端面１８ｄおよび１９ｄとは離れて設置されているが、導波路４ｃの中央部２０ｃおよび導波路４ｄの中央部２０ｄは近接するよう、導波路４ｃおよび４ｄは屈曲している。また、各導波路４ｃおよび４ｄの入射端面または出射端面である各端面１８ｃ、１９ｃ、１８ｄおよび１９ｄは、それぞれ基板表面１１ｃに対して傾斜を有しており、図示はしていないが、フォトニック結晶の周期構造が露出されている。また、各端面１８ｃ、１９ｃ、１８ｄおよび１９ｄに結合するように、各導波路４ｃおよび４ｄの入出射部であるロッドレンズ２１ｃ、２２ｃ、２１ｄおよび２２ｄが設置されている。なお、図示していないが、ロッドレンズにはさらに光ファイバー等が結合されていて、方向性結合器１０ｃへの入射光または方向性結合器１０ｃからの出射光を伝播させる。
【００６５】
このような構成の方向性結合器１０ｃは、例えば、ロッドレンズ２１ｃから入射された光を５０％ずつロッドレンズ２２ｃおよび２２ｄに分岐して出射することができる。この方向性結合器１０ｃの基板１ｃの線膨張係数は、使用温度範囲において、１００×１０-7／Ｋ以上、１４０×１０-7／Ｋ以下の範囲としているので、温度変化による特性の変化が小さい。
【００６６】
また、以上では、１次元フォトニック結晶を備えた光学素子について説明したが、本実施の形態の光学素子は、１次元フォトニック結晶を備えた光学素子に限定されるわけではない。すなわち、少なくとも基板表面の法線方向に屈折率周期性を有するフォトニック結晶を備え、フォトニック結晶中においては、基板表面と平行な方向に電磁波を伝播する光学素子であって、使用温度範囲において、基板の線膨張係数が、１００×１０-7／Ｋ以上、１４０×１０-7／Ｋ以下の範囲である光学素子であれば、フォトニック結晶が２次元または３次元であっても、同様の効果を奏する。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
本発明による光学素子は、温度変化による特性の変動が少ないため、例えば、高密度の集積回路等に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本実施の形態に係る光学素子の構成を示す断面図
【図２】測定に用いた第１の光学素子の構成を示す図であって、図２（ａ）は、第１の光学素子の構成を示す斜視図であり、図２（ｂ）は、第１の光学素子の構成を示す側面図
【図３】第１の光学素子における、入射光の波長と出射角との関係図
【図４】測定に用いた第２の光学素子の構成を示す図であって、図４（ａ）は、第２の光学素子の構成を示す斜視図であり、図４（ｂ）は、第２の光学素子の構成を示す側面図
【図５】第２の光学素子における、入射光の波長と出射角との関係図
【図６】温度特性の測定方法について説明した模式図であって、図６（ａ）は、温度特性の測定方法を示す斜視図であり、図６（ｂ）は、温度特性の測定方法における光の進路を示している光学素子の平面図
【図７】熱電対起電力とＣＣＤにおける出射光の位置との関係図であり、図７（ａ）は第１の光学素子における熱電対起電力とＣＣＤにおける出射光の位置との関係図であり、図７（ｂ）は第２の光学素子における熱電対起電力とＣＣＤにおける出射光の位置との関係図であり、図７（ｃ）は第３の光学素子における熱電対起電力とＣＣＤにおける出射光の位置との関係図であり、図７（ｄ）は第４の光学素子における熱電対起電力とＣＣＤにおける出射光の位置との関係図
【図８】本実施の形態に係る光学素子の基板の熱膨張係数に対する出射角度の変動量の関係を示す図
【図９】方向性結合器の構成を示す斜視図
【符号の説明】
【００６９】
１、１ａ、１ｂ、１ｃ  基板
２  第１物質
３  第２物質
４、４ａ、４ｂ  フォトニック結晶
４ｃ、４ｄ  導波路
５  光
６  ペルチェ素子
７  電線
８  石英棒
９  ＣＣＤ
１０、１０ａ、１０ｂ  光学素子
１０ｃ  方向性結合器
１１、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ  基板表面
１２ａ、１２ｂ  出射面
１３  熱電対
１４  電線
１５  レンズ
１６  測定台
１７  ヘリウムネオンレーザー光
１８ｃ、１９ｃ、１８ｄ、１９ｄ  端面
２０ｃ、２０ｄ  中央部
２１ｃ、２２ｃ、２１ｄ、２２ｄ  ロッドレンズ
４１ａ、４１ｂ  空気側クラッド
４２ａ、４２ｂ  コア
４３ａ、４３ｂ  基板側クラッド
４４ａ、４４ｂ  入射面
５１ａ、５１ｂ  入射光
５２ａ、５２ｂ  出射光
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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